高速大进给切削技术及应用

高速切削技术高速大进给切削技术及其应用姓名：吴宇班级：机制122学号：2011204282015年12月成绩高速大进给切削技术及应用机制12228号吴宇南京工程学院摘要：介绍了高速大进给切削技术的特点与应用、以及该技术对加工系统的要求，另外还阐述了高速大进给技术的研究现状。关键词：高速大进给技术,加工系统,高速大进给技术研究现状High-SpeedandLargeFeedCuttingTechnologyandItsApplicationAbstract:Thisthesisintroducesthecharacteristicsandapplicationofhighspeedandlargefeedcuttingtechnology,andtherequirementofthistechnologytotheprocessingsystem.Keywords:High-speedandlargefeedtechnology,Processingsystem,High-speedandlargefeedtechnologyresearchstatus0引言随着社会飞速发展，人们要求原材料要产品的转变时间缩短，在机械行业，其中一个方法就是采用高速大进给切削技术。高速大进给切削技术多数是指大进给铣削（HFM）技术。但是在过去，模具制造厂通常是在大功率机床上，使用大直径铣刀来提高金属切除率，以提高生产效率。此技术必须以大切深进行加工和较低的主轴转速来加工工件，所以，虽然能获得很高的金属切除率，但由于当时的加工技术水平的制约，刀具在加工的模具型腔侧壁上留下刀痕的很明显且留下的台阶状纹路很深，这些瑕疵需要在后续工序中予以处理，不是很方便。随着时代发展，技术革新，更多加工车间获得了高速数控加工的技能并掌控了对复杂工件进行CAM编程的能力，高速大进给切削技术被越来越广泛的运用于生产实践。1高速大进给切削技术原理高速大进给切削技术加工工件时采用较小的切削深度，该深度一般≦2mm,但是与此同时，大进给切削每齿进给量一般五倍于常规切削。所以工件产生较薄的切屑，切削刃上大量的热由这些切屑带走。因此高速大进给铣削方式可以很大程度减少切削热，有利于刀具寿命的延长，且金属切除率远远大于普通切削，可每分钟切除超过1000cm3的工件材料,总的来说高速大进给切削技术能够取得比传统铣削快3倍的加工效率。大进给并不意味着在切削时采用大切深，而是指让浅切深和高进给量的有机结合。而在实际生产中，有时能够用10倍于常规值得进给速度进行加工工件。与此同时，虽然大进给小切深的高速大进给切削是粗加工，但是此技术让工件生成的外形接近于最终所被要求的零件外形，所以对工件的半精加工往往能被取消，还能简化数控编程。省略半精加工而直接进行被加工零件最后的精加工工序，因此每台机床在生产零件的单位时间内生产了比以往更多的零件，进一步提高了生产效率。对于高速大进给铣削来说，长悬伸加工与大进给铣削有着非常科学的配和，同时采用两措施可将加工效率提高为原来的三倍。不仅如此，由于铣刀刀片被改造成三角形状且切削刃具有十分大的圆弧，所以在机床在进行小切深大进给加工时基本没有振动。2高速大进给切削技术对加工系统的要求为了实现大进给铣削加工通常对加工系统有如下要求：(一)机床具有高速的CNC加工控制功能。(二)要求主轴精度机床很高的和主轴膨的热稳定性优异。(三)CAM软件程序能够实现刀具路径的平滑处理，如采用螺旋切削路径和圆整转角等。刀具能够螺旋进给能够减小切削冲击、能源消耗和切削力；刀具能平缓地对零件进行分层切削需要刀具小吃刀量加工以平滑刀路径。(四)大进给铣削采用的切削刀片也很关键。这些刀片具有较大的圆弧半径而且具有较厚实的切削工件的部位，它的几何结构强度还很高。依靠这些条件，即使机床采用极高的切削速度，依然能够保证加工的安全和可靠。从大多数大进给铣削来说，考虑到三角形刀片的主要切削力在切削刃的底部，所以要首选三角形刀片而不是圆形状刀片。当然，在部分情况下，在采用较小安装角时，亦可选择方形刀片。总体来讲，切削条件稳定时，大进给重载粗铣加工往往选择在大功率机床或者卧式铣床上进行，此时为了使排屑高效，往往选择方形刀片。三角形状的刀片往往用在功率较小、转速较高的机床或者立式铣床上，此时刀具的排屑能力十分出色。大进给切削往往选择大进给量的铣刀。加工工件使用较小的进刀角度，主偏角小于45°，来减小切屑的厚度达到大进给铣削的目的。铣刀的主偏角90度，每齿进给量为0.254mm时，对于整个的径向刀/屑的接触面上，切出的切屑厚度大致为0.254mm;但是主偏角采用45度的铣刀，每齿进给量为0.254mm时，对于整个的径向刀/屑的接触面上，切出的切屑厚度仅仅为0.0168mm。但是为了获得实际切出的切屑厚度为0.254mm，人们在编写零件加工程序时要求使用0.3556mm/z的进给率。然而加工零件时使用一把更加小的主偏角的铣刀，如12度，为了获得实际切出的切屑厚度为0.254mm，人们在编写零件加工程序时要求使用1.27mm/z的进给率,即每齿的进给量提高为原来的5倍，如图1所示。图1主偏角为90度、45度和12度的铣刀切削厚度对比ap-轴向切削深度；hm-平均切削深度；fz-每齿进给量；大进给铣刀加工工件时，切深为1mm-2.5mm，重复不停走刀。即使切削深度较浅，但由于进给率十分高，所以其与圆形刀片或者是正方形刀片的标准型铣刀相比，在单位时间内能去除远远多的多的材料。端面铣削往往需要大进给铣削。大进给铣削的优点很明显，它能够奠定后续工序和最后精加工质量的良好基础，所以大进给铣削非常适用于大批量的端面铣削。大部分软材料也可采用大进给端铣。高效铣型腔，尤其是模具的加工，也可采用大进给铣削，其切削参数的选择和刀具参数的设置，往往由被加工的材料、刚度和尺寸所确定。最后加工轨迹螺旋状的插补铣削也往往选择大进给。在这种加工方式中，由于大进给铣削能够跳过预钻孔或预加工，所以它能够解决大直径孔的加工中遇到的问题。图2五种刀片的材料切除率对比3高速大进给切削技术的研究现状大进给铣削的关键技术是刀具技术，大进给刀具技术水平的高低很大程度上反应了大进给铣削技术的水平。虽然大进给铣削技术是与可转位刀具同时开始发展的，可是中小型模具型腔的大进给量铣削的起步阶段是采取整体硬质合金球头立式铣刀进行小切深加工。减薄切屑原理的大量运用，刀具切削刃采用圆形，比原先大大增加刀具每齿进给量，于此同时也让机床的进给率提高到每分钟8m以上。但是，机床主轴转速达8000rpm以上和主轴具有“前瞻”功能、CNC系统具有连续监测刀具运动轨迹的能力等条件是提高金属切除率成为可能。过去一段时间，一些诸如OSG公司的刀具制造厂家为达到型芯以及中小型模具型腔的高效加工的目的研制了一些新型的整体式硬质合金的大进给铣刀，它们的独特之处是：跟球头立式铣刀相对比，切削宽度变大；常规铣刀排屑槽是直径的1-1.5倍，与常规的铣刀的结构相对比，排屑长度槽更短，所以刀具的刚性十分高，克服了因排屑槽长度较长而削弱常规立铣刀刚性的毛病，因而可把进给量提高为每分钟12m-20m。采用小切深量进行粗加工后，便有利于得到接近最终要求形状的工件，从而能省略半精加工，进行精加工，不仅有利于生产效率提高，也可以节省加工工件的时间与精力。复合型大进给量铣刀的研究设计开发大致有两个方面：一是提高切削刃的圆弧半径(该铣刀可想象是大半径球头铣刀中的一部分)；二是直线切削刃的倾角变小。这两种形式刀具的相同之处是具有很小的切入角，能在加工时持续减薄切屑，达到大进给切削的目的。刀具结构的设计上，刀片设计成可转位、刀头可换的结构，这样就能有效降低刀具的制造成本。CoroMill刀具210是Sandvik公司研制的新型大进给量铣刀，铣刀被设计成更小10°的切入角和直线型切削刃，铣刀的每齿进给量是以往的6倍以上，每齿大约1mm-1.5mm，这样的效果不同以往。于是在大进给量条件下，刀具切削工件产生的切屑厚度大约能够达到0.18mm-0.25mm。由于优化了CoroMill210铣刀的切削性能，加工时进给量必须小于或等于最大切深，直线型切削刃切削工件时产生的切屑就比以往薄，达到了减薄切屑的效果。刀片、刀体以及刀座的结构设计在CoroMill210铣刀设计中得到了优化，一把刀具同时集成了大进给量铣削和插铣两种不一样的加工方式。铣刀为10°切入角，沿着切线方向运动时，为了实现大进给量铣削可采用小的轴向切削深度；而铣刀轴向进给时，使用大径向的切削深度对工件进行插铣，也能让金属的切除率提高。CoroMill210铣刀不仅能插铣工件还能大进给铣削特点，不仅可用于航空制造业，切除整块毛坯上的材料(如航空用发动机中的叶片或结构件的粗铣加工)，而且还能用于汽车制造业或普通机加工，该刀具能高效加工对铸铁到不锈钢、钛合金或合金钢等零件。Iscar公司新同时设计研发了两种大进给铣刀：一种是可换刀头式小直径铣刀，可用于加工的模具型腔尺寸为10mm、12mm和16mm，名叫MultimasterFeedMill；另一种是FeedMill可转位刀片式铣刀，其中包括直径范围25.4mm-152.4mm的立铣刀与套式铣刀。在FeedMill铣刀上，Iscar公司采用十分先进的刀片压制工艺，在刀片上压制成形出一个可与刀座上的凹窝相互嵌合匹配的凸台，这种与众不同的结构设计使刀片和刀具能够吸收切削力，减小作用于刀片可转位刀具最薄弱的部位--紧固螺钉上的应力。有时只需提高进给率，大进给铣削技术在已有机床设备及加工程序下就比较容易实现。因此该技术日益流行于模具加工车间。Seco公司设计开发的大进给铣刀使用了的圆弧刃刀片，该刀片可产生较小切入角，其主要设计思想是为了获得合适的切屑厚度而构成较小的安装角。为了使大部分切削力传入主轴，独特设计了刀具几何形状的，可以减小刀具变形和振动，切削参数可以设置较大。该公司的大进给铣刀不仅可用于端面铣削，也能进行圆弧插补与螺旋插补加工、通孔螺纹加工、甚至能够进行3D轮廓的加工。模具车间使用淬硬的工件毛坯来提高模架的加工效率；进行等高分层铣削可用大进给铣刀，让零件具有半精加工所能达到的精度，最终利用放电加工(EDM)对工件进行精加工。复合型大进给铣刀的开发进程在使用纽扣刀具加工模具型腔后，得到了巨大促进作用。一开始用纽扣刀具加工模具型腔时，出现过许多棘手的问题(如硬质合金材料提前失效因出现了大切深产生的巨大切削热传入切削刃的现象，以及分散的加工结果)。，具有独特的、先进的刀片形状的复合型大进给铣刀为了替代纽扣刀具应运而生，小切入角与减薄切屑效应，金属的切除率得到巨大提高。欧洲的大进给铣削措施的实施比在美国要快一些，因为这种加工方式对欧洲的机床更适用。为了克服纽扣刀具的缺点，需要使用复合型铣刀的大进给铣削方法，这样不仅能实现很高的金属切除率外，而且可以稳定加工过程、让加工规程变可靠，易于让一个人看管多台机床、甚至实现加工过程的无人化。ATIStellram公司正在研究如何将该刀具系列扩展到包括使用圆柱刀柄、模块式刀头(采用6mm刀片，每个刀片4个切削刃)的小直径铣刀。它可使切削力沿轴向传入主轴，于是可减少主轴磨损，加工的稳定性得到改善。该型刀具系列的标准牌号是X400，淬硬钢的加工首选该系列刀具刀具。ATIStellram公司甚至为用户同时开发了切削软件，可以针对各种不同工件材料的加工情况计算出工件的切削用量、机床功率、扭矩和切削力等重要数据。除此之外，Walter美国公司研制了F2330大进给量高效铣刀来使金属的切除率提高，其它的要特点有：⑴选用有三个切削刃的多边形并且经PVD或CVD涂层处理过了的刀片，可应用于铣削钢制和铸铁制的材料；⑵刀尖的圆弧半径依次为为0.8mm、1.2mm和2mm；⑶可供应内冷却形式铣刀，其直径是1.9mm-76.2mm，能最大程度地降低切削工件时的热量；⑷最大的切深为2mm，安装角为0°-15°；⑸具有先进的插铣功能，对高效模具加工非常适合，铣刀的长径比可为8倍以上。4结论在这个追求高效的